一种光声测量系统及光声测量方法技术方案

本发明专利技术提供一种光声测量系统及光声测量方法，光声测量系统包括光源、分束器、功率监测单元、第一探测器和控制器；第一探测器接收探测光在样品表面的反射光，在光声测量系统的光路中增加功率监测单元，以接收激光束的分光光束，或者，接收激发光的分光光束和/或探测光的分光光束；控制器，基于第一探测器的输出信号和功率监测单元的输出信号，获取样品的待测参数。本发明专利技术通过在光路中增加功率监测单元，基于第一探测器的输出信号和功率监测单元的输出信号，测量样品的待测参数，消除了光声测量系统的测量腔中气流影响和激光器波动等不利因素引起的系统误差，探测光的信号质量得到保证，从而提高了光声测量系统信噪比和激发信号的稳定性。的稳定性。的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种光声测量系统及光声测量方法


[0001]本专利技术涉及光电探测领域，更具体地，涉及一种光声测量系统及光声测量方法。

技术介绍

[0002]光声测量系统是用于检测金属膜、介质膜等待测样品的膜厚，其光声信号产生机制如图1所示，可参见图1，光声测量系统的信号产生机制为：短脉冲激光作为激发光照射在样品表面，样品吸收光子产生热应力，热弹性变形产生光声信号在固体表面及内部传播，纵向声波传播到样品界面(基底或膜与膜的交界)处产生第一次回声信号。第一次回声信号到达上表面，使材料反射率发生变化；回声信号碰到上表面后又回弹，回弹碰到界面后产生第二次回声信号；第二次回声信号到达上表面，使材料反射率发生变化。
[0003]光声测量系统的测量原理可参见图2，如图2所示，将探测光打在激发光光斑上，由于回声回传时反射率会发生变化，光探测器获取激发光导致的探测光功率变化，从而可获取的两次回声的时间间隔，并通过膜厚计算公式得到膜厚值，可参见图3，其膜厚计算公式为：Δd＝Δt
×
v/2。
[0004]光声测量系统现有的结构如图4，主要包括激光器、分束器、斩波器、反射镜、光学延迟线、合束器、聚光镜和光电探测器，其探测方式为：对选型好的激光经过扩束镜组进行扩束和准直，扩束和准直后的激光再经过分束器分为两束光，一束为探测光，一束为激发光；激发光需经过偏振片、斩波器等光学器件，探测光光路需经过反射镜、光学延迟线等光学器件，最终激发光和探测光经合束器合束出射。探测光和激发光经过聚光镜汇聚到样品表面，保证激发光光斑和探测光光斑重合，进行光声作用和探测。
[0005]现有的探测方式存在有一定的技术问题：
[0006]激光器本身的功率波动通常小于1％，异常情况功率波动最大可以到5
‑
10％，会给系统引入随机噪声；调制器和斩波器等光电器件会引入光强波动导致的噪声；由于测量腔内有电源等发热体，导致腔内的空气气流处于不可控状态，光路上的空气密度和颗粒密度在不断发生变化，因此会引入最终测量信号的噪声，且光束直径较大的光束更容易受到空气密度和颗粒密度的影响；光电探测器之前的光路没有进行噪声的消除，所有的外部噪声和系统噪声都会进入光电探测器中，导致光声测量系统的信噪比降低。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术探测方式存在噪声量测误差的技术问题，提供了一种光声测量系统及光声测量方法。
[0008]根据本专利技术的第一方面，提供了一种光声测量系统，该系统包括：光源、分束器、功率监测单元、第一探测器和控制器；
[0009]所述光源发射激光束，所述激光束经过所述分束器分为激发光和探测光，所述激发光沿激发光光路传输至样品，所述探测光沿探测光光路传输至所述样品，所述探测光在所述样品表面的反射光被所述第一探测器接收；
[0010]所述功率监测单元包括分光器和至少一个探测器；
[0011]所述分光器设置于所述光声测量系统的光路中的任意位置，以获取所述激光束的分光光束并使得所述至少一个探测器接收所述激光束的分光光束，或者，获取所述激发光的分光光束和/或所述探测光的分光光束并使得所述至少一个探测器接收所述激发光的分光光束和/或所述探测光的分光光束；
[0012]控制器，基于所述第一探测器的输出信号和所述功率监测单元的输出信号，获取所述样品的待测参数。
[0013]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做出如下改进。
[0014]可选的，获取所述光声测量系统的测量信号，所述测量信号为所述第一探测器的输出信号除以所述功率监测单元的输出信号；
[0015]分析所述测量信号的曲线，得到所述样品的待测参数。
[0016]可选的，所述至少一个探测器包括第二探测器和第三探测器，所述第二探测器和所述第三探测器分别接收所述激发光的分光光束和所述探测光的分光光束，所述功率监测单元的输出信号为所述第二探测器的输出信号与所述第三探测器的输出信号的乘积。
[0017]可选的，所述分光器设置于所述光声测量系统的光路中接近所述样品的位置。
[0018]可选的，所述至少一个探测器包括第四探测器，所述第四探测器接收所述激光束的分光光束或所述激发光的分光光束或所述探测光的分光光束，所述功率监测单元的输出信号为所述第四探测器的输出信号。
[0019]可选的，所述分光器设置于所述光源和所述分束器之间，所述第四探测器用于接收所述激光束的分光光束；
[0020]或者，所述分光器设置于所述激发光光路的任意位置，所述第四探测器用于接收所述激发光的分光光束；
[0021]或者，所述分光器设置于所述探测光光路的任意位置，所述第四探测器用于接收所述探测光的分光光束。
[0022]可选的，所述光声测量系统还包括数据采集卡和锁相放大器；
[0023]所述数据采集卡的输入端连接所述至少一个探测器，所述数据采集卡的输出端连接所述控制器，所述锁相放大器的输入端连接所述第一探测器，所述锁相放大器的输出端连接所述控制器；
[0024]所述控制器通过所述锁相放大器获取所述第一探测器的输出信号，所述控制器通过所述数据采集卡获取所述至少一个探测器的输出信号，并使得所述至少一个探测器的输出信号的频率与所述第一探测器的输出信号的频率保持一致。
[0025]可选的，所述控制器分别获取所述锁相放大器输出信号的第一频率和获取所述数据采集卡输出信号的第二频率，基于所述第一频率和所述第二频率，对所述数据采集卡输出信号进行平均处理，得到所述至少一个探测器的输出信号。
[0026]可选的，所述光声测量系统还包括锁相放大器；
[0027]所述锁相放大器的输入端连接所述第一探测器和所述至少一个探测器，所述锁相放大器的输出端连接所述控制器，所述控制器通过所述锁相放大器获取所述第一探测器的输出信号和所述至少一个探测器的输出信号。
[0028]可选的，所述分光器包括至少一个分束板，或者，所述分光器包括至少一个分束板
和至少一个反射镜。
[0029]根据本专利技术的第二方面，提供了一种光声测量方法，应用于光声测量系统，包括：
[0030]获取所述功率监测单元的输出信号；
[0031]获取所述第一探测器的输出信号；
[0032]获取所述光声测量系统的测量信号S
optimize
：
[0033]S
optimize
＝V/V'；
[0034]分析所述测量信号S
optimize
的曲线，得到所述样品的待测参数；
[0035]其中，S
optimize
为所述光声测量系统的测量信号，V为所述第一探测器的输出信号，V
’
为所述功率监测单元的输出信号。
[0036]本专利技术提供的一种光声测量系统及光声测量方法，通过在光路中增加功率监测单元，第一探测器接收探测光在样品表面的反射光，功率监测单元，以接收激光束的分光光束，或者，接收激发光的分光光束和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光声测量系统，其特征在于，该系统包括：光源、分束器、功率监测单元、第一探测器和控制器；所述光源发射激光束，所述激光束经过所述分束器分为激发光和探测光，所述激发光沿激发光光路传输至样品，所述探测光沿探测光光路传输至所述样品，所述探测光在所述样品表面的反射光被所述第一探测器接收；所述功率监测单元包括分光器和至少一个探测器；所述分光器设置于所述光声测量系统的光路中的任意位置，以获取所述激光束的分光光束并使得所述至少一个探测器接收所述激光束的分光光束，或者，获取所述激发光的分光光束和/或所述探测光的分光光束并使得所述至少一个探测器接收所述激发光的分光光束和/或所述探测光的分光光束；控制器，基于所述第一探测器的输出信号和所述功率监测单元的输出信号，获取所述样品的待测参数。2.根据权利要求1所述的一种光声测量系统，其特征在于，获取所述光声测量系统的测量信号，所述测量信号为所述第一探测器的输出信号除以所述功率监测单元的输出信号；分析所述测量信号的曲线，得到所述样品的待测参数。3.根据权利要求1所述的一种光声测量系统，其特征在于，所述至少一个探测器包括第二探测器和第三探测器，所述第二探测器和所述第三探测器分别接收所述激发光的分光光束和所述探测光的分光光束，所述功率监测单元的输出信号为所述第二探测器的输出信号与所述第三探测器的输出信号的乘积。4.根据权利要求3所述的一种光声测量系统，其特征在于，所述分光器设置于所述光声测量系统的光路中接近所述样品的位置。5.根据权利要求1所述的光声测量系统，其特征在于，所述至少一个探测器包括第四探测器，所述第四探测器接收所述激光束的分光光束或所述激发光的分光光束或所述探测光的分光光束，所述功率监测单元的输出信号为所述第四探测器的输出信号。6.根据权利要求5所述的光声测量系统，其特征在于，所述分光器设置于所述光源和所述分束器之间，所述第四探测器用于接收所述激光束的分光光束；或者，所述分光器设置于所述激发光光路的任意位置，所述第四探测器用于接收所述激发光的分光光束；或者，所述分光器设置于所述探测光光路的任意位置，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜航，李仲禹，董诗浩，张谋，
申请(专利权)人：上海精测半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：